بخشی از مقاله
چکیده
واکنش های مولکولی گیاهان عالی در برابر تنش آبی در سیستم ژنتیکی گیاه مدل آرابیدوپسیس، گیاهان بیابانی متحمل به خشکی و در برخی گیاهان اهلی مانند درختان بررسی شده است. همچنین تحقیقات روی سلول های محافظ در آرابیدوپسیس در زمینه شناخت مولکول های عامل سیگنال دهی تنش آبی موثر بوده است. سلولهای محافظ ابزاری برای شناسایی پیام دهنده های ویژه کلسیمی هستند.
اینها پیام دهندگان ثانویه ای هستند که میزان کلسیم، سیگنال دهی فسفوریلاسیون، کانال های یونی ویژه و ترانسپورترها و نیز تشخیص زمان بسته شدن روزنه ها تحت اثر القایی آبسزیک اسید را تنظیم می کند. تحمل به تنش خشکی میتواند توسط تعدیل بیان ژنها و تجمع پروتئینها و متابولیتهای حفاظتی خاص ایجاد شود. میزان تحمل به تنش خشکی در بین گونههای مختلف گیاهی متفاوت است. تنشهای غیرزیستی نظیر تنش کمبود آب بیان بسیاری از ژنهای گیاهی را تحریک میکنند.
این ژنها بر اساس عملکرد محصولاتشان به دو گروه تقسیم میشوند: دسته اول، پروتئینهای کارکردی هستند که شامل پروتئینهای کانال آبی، چاپرونها، پروتئازها و LEAp و آنزیمهای سازنده محافظهای اسموتیک - مواد محلول سازگار، مانند قندها و پرولین - میشوند. دسته دوم، پروتئینهای تنظیمکننده شامل آنزیمهای سازنده اسید آبسیزیک - ABA - بعنوان مواد بازدارنده رشد گیاهی میباشند. برای بهبود تحمل تنش، پروتئینهای کارکردی مختلفی مانند آنزیمهای سازنده محافظهای اسموتیک، افزایش بیان نشان میدهند.
مقدمه
تأثیر تنش خشکی روی صفات مورفولوژیک، فیزیولوژیک، بیوشیمیایی و فرآیندهای مولکولی گیاه در نتیجه ممانعت رشد، بسته شدن روزنهها همراه با کاهش تعرق، کاهش محتوای کلروفیل برگ، محدود شدن فتوسنتز و تغییرات پروتئینی میشود .[14,17] تحمل به تنش خشکی میتواند توسط تعدیل1 بیان ژنها و تجمع پروتئینها و متابولیتهای حفاظتی خاص ایجاد شود .[15] میزان تحمل به تنش خشکی در بین گونههای مختلف گیاهی متفاوت است .[4] تنشهای غیرزیستی نظیر تنش کمبود آب بیان بسیاری از ژنهای گیاهی را تحریک میکنند .
[3] این ژنها بر اساس عملکرد محصولاتشان به دو گروه تقسیم میشوند :[12] دسته اول، پروتئینهای کارکردی هستند که شامل پروتئینهای کانال آبی، چاپرونها، پروتئازها، LEAp2 و آنزیمهای سازنده محافظهای اسموتیک - مواد محلول سازگار، مانند قندها و پرولین - میشوند. دسته دوم، پروتئینهای تنظیمکننده هستند که شامل عوامل رونویسی bZIP3 - ، MYC4، MYB5 و - DREB6، پروتئین کینازها، آنزیمهای فسفواینوزیتوله کننده - IP - 7 و آنزیمهای سازنده اسید آبسیزیک - ABA - بعنوان مواد بازدارنده رشد گیاهی میباشند.
برای بهبود تحمل تنش، پروتئینهای کارکردی مختلفی مانند آنزیمهای سازنده محافظهای اسموتیک، افزایش بیان نشان میدهند .[12] بیان ژنهایی که با قرار گرفتن در معرض این تنشها در گیاهان تحریک میشوند، هم بر محافظت سلولها و هم بر تنظیم ژنهایی که در انتقال پیام تنش - از محیط خارج تا تحریک ژن - نقش دارند مؤثر است .[12] پیام تنش رطوبتی که خارج از سیتوپلاسم وجود دارد، به کمک تعدادی از پروتئینها به هسته منتقل میشود. تولید عوامل پروتئینی انتقال دهنده پیام تنش، مانند MAPK8ها - پروتئین کینازهای فعال شده با میتوژن - ، پروتئین کینازهای وابسته به کلسیم و آنزیمهای درگیر در سوخت و ساز فسفولیپیدها، توسط خشکی و سرما تنظیم میشوند .
[16] این عوامل پیام تنش را تقویت و به سازگاری سلولهای گیاهی با شرایط تنش کمک میکنند MAPK .[7]ها، سرین/ترئونین پروتئین کینازهایی هستند که دامنهای از سوبستراها را به منظور فعال ساختن پاسخهای سلولی مختلف و از جمله بیان ژن فسفوریله میکنند. MAPKها، پس از فعالشدن به هسته منتقل میشوند و در آنجا میتوانند عوامل رونویسی را فسفوریله æ فعال کنند .[8] فسفوریلاسیون برگشتپذیر پروتئین برای دریافت پیام و پاسخ به تنش خشکی، ضروی است. علاوه بر مسیر مذکور پیامرسانی بر اساس کلسیم و اینوزیتول لیپید نیز ثابت شده است.
احتمالاً ساخت ABA پاسخ کلیدی باشد، زیرا غلظت بالای این هورمون به بسته شدن سریع روزنهها، کاهش از دست رفتن آب از طریق تنفس و ساخت چندین پروتئین که نقش سازشی دارند، منجر میشود .[8] انتقال پیام ABA در سلولهای محافظ روزنهای و سایر سلولهای برگ، شامل تغییراتی در غلظتهای یون کلسیم سیتوسولی و فعالیت چندین پروتئین کیناز و پروتئین فسفاتاز میگردد .[1] همانطور که ذکر شد، هورمون گیاهی آبسیزیک اسید یک بازدارنده رشد القاء شده تحت تنش است که نظر محققان را بعنوان صفت مفید جهت انتخاب ارقام متحمل جلب کرده است .[16] افزایش غلظت ABA منجر به بسیاری از تغییرات نموی، فیزیولوژیکی æ رشدی میگردد.
این بازدارنده رشد باعث تحریک تنظیم اسمزی میگردد .[9] همچنین این ماده باعث القای سنتز پروتئینهای حفاظتی - مانند LEA و پروتئینهای مرتبط با آن - میگردد .[2] در مطالعه تجمع ABA در پاسخ به تنش خشکی در نتاج حاصل از تلاقی دو ژنوتیپ بهاره گندم مشاهده شد که گیاهان متحملتر میزان تجمع بیشتری از هورمون ABA نسبت به گیاهان حساستر داشتند .[11] بطور کلی تنش خشکی موجب القای تغییرات متابولیکی در ارتباط با protein turnover - آلترناتیوهای سنتز پروتئینها یا حفظ سطوح برخی از پروتئینهای دگراده شده - میشود .[3] از طرف دیگر آنزیم کلیدی فتوسنتز، روبیسکو - ribulose-1,5-bisphsphate carboxylase/oxygenase - است که در تثبیت دیاکسیدکربن و همچنین تنفس نوری نقش دارد .[6] روبیسکو بطور متوسط نصف پروتئینهای محلول برگی را بخود اختصاص میدهد .[5] پرری و همکاران [10] گزارش کردهاند که میزان روبیسکو در شرایط تنش در برگ کاهش مییابد.
واکنش مولکولی گیاهان عالی به تنش خشکی
حالت دهیدراسیون در گیاهان بعنوان یک واکنش حفاظتی جهت جلوگیری یا جبران خسارت های وارده به سلول ها عمل می کند. بررسی مسیر سیگنال دهی آبسزیک اسید و مسیرهای القا شونده در گیاه آرابیدوپسیس سهم بسزایی در شناخت مولکولی واکنش گیاهان در مقابل دهیدراسیون داشته است. آب در تمام فرآیندهای فیزیولوژیکی گیاهان نقش محوری دارد. وضعیت آب در گیاه به وسیله اندازه گیری محتوی پتانسیل و محتوی نسبی آب توصیف می شود. اگر تعادل آب در گیاه به هم بخورد، گیاه وارد مرحله کم آبی شده و دچار تنش آبی می شود که اصطلاحا به آن خشکی می گویند.
حرکت مولکول های آب بوسیله شیب پتانسیل آبی در غشای پلاسمایی اندازه گیری می شود که خود تحت تاثیر غلظت مولکول های داخل و خارج سلول قرار دارد .[8] سلولهای تمام جانداران گیرنده ها، فرستنده ها و تنظیم کننده هایی دارند که به آنها امکان پاسخ و سازگاری در مقابل تغییرات میزان آب را می دهد. دستگاه پاسخ سلولی شامل مواد انتقال دهنده محلول هایی مانند آکواپورین ها، فعال کننده های رونویسی، آنزیم های سنتز کننده محلول های سازگار، تخریب کننده های اکسیژن فعال و پروتئین های محافظ می باشد. دو مکانیزم عمده برای محدود کردن صدمات دهیدراسیون وجود دارد:
-1 سنتز مولکولهای محافظ در مرحله دهیدراسیون جهت جلوگیری از صدمه
-2 فعال شدن مکانیزم های جبرانی در طی جذب مجدد آب جهت خنثی سازی و جبران صدمات وارده .
گونه های گیاهی و سیستم های آزمایشی مورد استفاده در مطالعات مولکولی
واکنش های مولکولی گیاهان عالی در برابر تنش آبی در سیستم ژنتیکی گیاه مدل آرابیدوپسیس، گیاهان بیابانی متحمل به خشکی و در برخی گیاهان اهلی مانند درختان بررسی شده است. همچنین تحقیقات روی سلول های محافظ در آرابیدوپسیس در زمینه شناخت مولکول های عامل سیگنال دهی تنش آبی موثر بوده است. سلولهای محافظ ابزاری برای شناسایی پیام دهنده های ویژه کلسیمی هستند.
اینها پیام دهندگان ثانویه ای هستند که میزان کلسیم، سیگنال دهی فسفوریلاسیون، کانال های یونی ویژه و ترانسپورترها و نیز تشخیص زمان بسته شدن روزنه ها تحت اثر القایی آبسزیک اسید را تنظیم می کند. بر خلاف آرابیدوپسیس، بذرها و گروه کوچکی از گیاهان آوندی معروف به گیاهان بیابانی قادر به تحمل تلفات آبی بوده و تا زمان فراهم شدن مجدد آب برای رشد در حالت خواب ناشی از خشکی بسر می برند. گیاهان بیابانی مانند Craterostigma plantagineum در تمام بافت ها از جمله بافت کالوس تحمل به خشکی را نشان می دهند .[8]
آبسزیک اسید : - ABA - دهیدراسیون در گیاهان منجر به افزایش میزان ABA می شود، که خود سبب القای بیان ژنهای چندگانه مسئول دفاع در مقابل اثرات سوء کم آبی می گردد. ABA سبب بسته شدن روزنه ها می شود و بنابراین تلفات آب در جریان تنفس را کاهش می دهد. مسیر بیوسنتزی ABA یک شاخه فرعی از مسیر کاروتنوئیدی بوده و بسیاری از آنزیمهای مسیر بیوسنتزی ABA، بر اثر وقوع دهیدراسیون تنظیم می شوند.
از تیمار مصنوعی گیاه با ABA برای شبیه سازی نحوه پاسخ به دهیدراسیون استفاده شده است. جستجو برای موتانت ها از طریق تست های جوانه زنی بذر یا در میان گیاهانی که به دهیدراسیون خفیف متحمل هستند، منجر به شناسایی موتانت هایی برای ABA از جمله موتانت های بیوسنتز ABA، موتانت های بسیار حساس ABA و موتانت های غیر حساس ABA شده است. کلونینگ ژنهای متناظر با این موتانت ها باعث شناسایی یک سری ترکیبات پیام دهنده وجود ABA شده است .[9]
احساس تنش آبی: کم آبی خیلی سریع، قبل از بروز علائمی مانند پژمردگی یا کاهش معنی دار مقدار نسبی آب توسط گیاه احساس می شود. در مسیرهای سیگنال دهی کلاسیک، محرکهای محیطی توسط مولکول های گیرنده حس می شوند. در مورد کم آبی در گیاهان، اگر حالت عکس العمل بین گیرنده و لیگاند وجود داشته باشد هنوز معلوم نیست. در باکتریها و برخی یوکاریوت ها مانند مخمر گونه های بسیار سازگاری وجود دارد که دارای حسگرها، انتقال دهنده ها و تنظیم کننده هایی هستند که به آنها امکان کاهش عواقب کم آبی را می دهند .[13]
